تحليل كهربائي مستمر مستدام لمياه البحر باستخدام محفز ذو واجهة ذرية عبر استراتيجية وسط سائل

تحويل مياه البحر إلى وقود نظيف

بينما تبحث العالم عن وقود أنظف، يظل الهيدروجين المنتج من الماء باستخدام كهرباء متجددة خيارًا جذابًا بشكل خاص. لكن منشآت الهيدروجين على نطاق واسع تعتمد عادة على مياه عذبة نادرة، ومحاولات استخدام مياه البحر مباشرةً تواجه مشكلات تقنية خطيرة مثل الانسداد والتآكل وتفاعلات جانبية مهدرة. تُقدّم هذه الدراسة طريقة عملية لتحويل مياه البحر العادية إلى تيار مستمر من الهيدروجين دون إزالة الملح أولًا، باستخدام نظام ترشيح مصمَّم بذكاء ومحفز عالي الفعالية مبني من ذرات معدنية مرتَّبة بعناية.

لماذا يصعب استخدام مياه البحر

من الوهلة الأولى، يبدو أن مياه البحر مادة أولية مثالية للهيدروجين: فالمحيطات تضم تقريبًا كل ماء الكوكب السائل. ومع ذلك، فإن التحليل الكهربائي لمياه البحر—فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عبر الكهرباء—يتصرف بشكل مختلف تمامًا عن تحليل الماء النقي. عند القطب السالب، يؤدي تراكم أيونات الهيدروكسيد محليًا إلى ترسيب الكالسيوم والمغنيسيوم على شكل قشور معدنية عنيدة تُلوث السطح. وعند القطب الموجب، يمكن لأيونات الكلوريد أن تتأكسد إلى مواد محتوية على الكلور تقوّض الأجزاء وتشكل مخاطر سلامة. مجتمعة، تجعل هذه التأثيرات الأجهزة الحالية لتحليل مياه البحر غير فعالة وقصيرة العمر وصعبة التوسيع.

نظام من مرحلتين يسمح بمرور الماء فقط

بنى الباحثون نظامًا يحافظ على الأملاح المسببة للمشكلات في الخارج. تُضخ مياه البحر حول الخارج لوحدة «مرشح البالون»، بينما يدور إلكتروليت قاعدي مركز داخلها. يسمح الغشاء الرقيق للبالون بانتقال جزيئات الماء فقط، مدفوعةً بالتحليل الكهربائي الجاري في خلية التيار اللاحقة. تبقى الأملاح والأيونات الأخرى في مياه البحر في الخارج. ثم يدخل الماء الوارد إلى محلّل كهربائي بغشاء تبادل الأنيون، حيث يُفصل إلى هيدروجين وأكسجين في بيئة محكومة بإحكام. وبما أن معدل عبور الماء عبر البالون مرتبط تلقائيًا بمعدل إنتاج الغاز، يحافظ تركيز الإلكتروليت على ثباته تقريبًا دون الحاجة إلى أنظمة تحكم معقدة.

محفز مُبنى ذرة بذرة

لجعل فصل الماء المصفى فعالًا، صمّم الفريق محفزًا جديدًا مصنوعًا من أوكسيدات النيكل والموليبدينوم مُرتَّبة بمقياس الذرة. باستخدام طريقة تحضير قائمة على السائل، نمّوا غابة من الآبار الصغيرة الشبيهة بالأوعية على دعامة من النيكل ثم شكّلوا عددًا لا يُحصى من الجسور حيث تتصل ذرات النيكل بالموليبدينوم عبر ذرات الأكسجين. تمنح جسور Mo–O–Ni هذه كل موقع تفاعلي شخصية مزدوجة: جانب يساعد على تفكيك جزيئات الماء، والجانب الآخر يساعد على تجميع وإطلاق غاز الهيدروجين. أكدت الميكرسكوبات وقياسات الأشعة السينية المتقدمة البنية المقصودة وأظهرت أن ذرات النيكل القريبة من الجسور تتبنى حالة إلكترونية مثالية لتسريع التفاعل.

تفاعلات سريعة وتشغيل مستقر

في اختبارات المختبر، احتاج المحفز الجديد فقط إلى فائض جهد صغير جدًا ليبدأ إنتاج الهيدروجين وحافظ على معدلات تفاعل سريعة حتى عند تيارات بمقاييس صناعية. تسمح سطحياته النانوية الخشنة وقابليتها العالية للبلل لفقاعات الغاز بالانفصال بسرعة، مما يمنع حبسها ومنعها وصول الماء النظيف إلى المواقع الفعالة. كشفت تجارب أثناء التشغيل—قياسات أجريت أثناء عمل المحفز فعليًا—أن البنية تبقى مستقرة في ظروف التشغيل، وأن المناطق الغنية بالموليبدينوم تساعد على إضعاف الروابط الداخلية للماء بينما تسهل المناطق الغنية بالنيكل إطلاق الهيدروجين. دعمت المحاكاة الحاسوبية هذه الصورة من خلال إظهار أن الجسور الذرية تخفض حواجز الطاقة لكل من فصل الماء وإطلاق الهيدروجين مقارنة بالمواد الأبسط.

نظام طويل العمر لتحويل مياه البحر إلى هيدروجين

عند الجمع بين مرشح البالون ومحفز Mo–O–Ni تشكل نظام تحليل كهربائي لمياه البحر عمل باستمرار عند تيار شديد لآلاف الساعات. أظهرت الاختبارات بمياه بحر حقيقية من بحر بوهاي أن أيونات الملح تكاد لا تتسرب إلى الإلكتروليت، ولم تُكتشف منتجات فرعية محتوية على الكلور، وزاد الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز زيادة طفيفة فقط مع مرور الوقت. بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة مسارًا واقعيًا لتحويل مياه البحر الوفيرة إلى وقود هيدروجيني نظيف دون تحلية مسبقة، عبر فصل ذكي لمواقع الأملاح وتصميم دقيق لكيفية تعاون الذرات على سطح المحفز.

الاستشهاد: Shi, Z., Shi, W., Zhang, C. et al. Sustainable continuous seawater electrolysis using atomic interface catalyst via liquid-medium strategy. Nat Commun 17, 3940 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70234-4

الكلمات المفتاحية: التحليل الكهربائي لمياه البحر, الهيدروجين الأخضر, محفز كهروكيميائي, واجهة النيكل والموليبدينوم, غشاء تبادل الأنيون